フックの法則と弾性力の秘密を”ばね”と”おもり”を使って解き明かそう!

もとにもどる力とは?

今日も大量にえさ確保!!

そんなにほっぺパンパンに膨らませて痛くないの?

パンパン=幸せ♪

えさを口いっぱいにほおばるとパンパンになるよね。今回は、力に注目して形の変化について学んでいきましょう!

さて、たくさんほおばるとパンパンに膨らみますが、全部食べてしまうとどうなるの?

もとに戻るよ!

ですね。この元に戻る仕組みを考えてみましょう!なんで今ほっぺが膨らんでるの?

口の中から押されてるから!

そうです!「押されている」っていうのが最大のポイントです!押されるってことは言い換えると「力がはたらいている」って言えますよね。

押されている=力がはたらいている

これまでの学習で3つの「力のはたらき」を学んできましたが覚えていますか?

忘れた!

じゃあ復習しましょう!この3つでしたね!

力のはたらき

・物体の形を変える

・物体の運動を変える

・物体を支えたり、持ち上げたりする

じゃあえさが押す力はこの3つの内どれでしょうか?

ほっぺの形が変わっているから形を変える!

大正解!

例えば、貯金箱に力を加えると壊す(形を変える)ことができますが、力を加えるとその後、物体が変化することはありません。もし変化させようと思ったら、別の力を加えないといけません。

しかし、ほっぺは力を加えている時は形が変わるけど、力を加えるのをやめると形がもとにもどりますね。

じゃあもとに戻るための力がはたらいているんだ!

そういうことです!

このもとに戻ろうする力のことを弾性力といい、物体が持つもとの形に戻ろうとする性質を弾性といいます。

変わった形が戻るってことは力がはたらいている!

この力を弾性力という

弾性力の大きさは物体によって違って、例えば金属の弾性は小さいですし、ゴムの弾性は大きいですね。

バスケットボールはよく弾むもんね

今回はばねを使って、弾性力について深く学んでいきましょう!

ばねとほっぺは似たようなものだね♪

ばねの伸びと力の関係

さっそくばねを伸ばしてみましょう!

ばねにおもりをつけて伸びる長さを観察してみます。

もともと4.0㎝だったばねが5.5cmまで伸びたけど、ばねをもっと長く伸ばすにはどうすればいいでしょうか?

もっとおもりを増やせばいい!

ですね!やってみましょう!

やっぱたくさん伸びた!

おもりが1つの時より2つの時の方が、長く伸びましたね。

さて、おもりの数(重さ)とばねの長さにはどんな関係があるんでしょうか?

今回の課題

ばねの伸びとかかる力の関係は?

数が多いほど長くなるでしょ、たぶん

直感的にはそうなりそうですよね。

この謎を解き明かすために、おもりの数を変えてばねの伸びがどう変化するか実験してみましょう。

<実験>

さっきのように、おもりの数を変えながらばねにつるして伸びた長さを測ってみましょう!

結果をグラフにまとめるとこのようになりました。

グラフが直線だ!

ということは、ばねの伸びと力が「比例」していることがわかりますね!

比例ってなんだっけ?

比例は数学の授業でよく出てくる用語ですね。片方の数(x)が2倍、3倍になると、もう片方の数(y)も2倍、3倍になることを表しています。

1個100円のリンゴを3つ買ったら300円ってのが比例だね

グラフの伸びと長さ

でもさ、さっきのグラフっておもり1個の時は5.5cmじゃないの??

いい疑問ですね!

さっきのグラフが表していたものは、「ばねの伸び」で、下のグラフは「ばねの長さ」を表しています。2つのグラフの違いがわかりますか?

このグラフはもともとの長さも入っているんだね!

そういうことです!

ばねの伸びはおもりの数に比例してるけど、ばねの長さにはもともとの長さが含まれてしまうから長さには比例しません

おもりの数と比例するのは「ばねの伸び」!ばねの長さと勘違いしないように!

別のばねで実験

別のばねでもためしてみましょう。わかりやすくこのばねをばねBと呼ぶことにします。

さっきより短い!!

ですね。このばねBを伸ばすには、大きな力が必要みたいだね。

このばねもグラフを作ってみましょう♪

こちらのグラフも比例していますね!

こっちも比例だ!

ばねによって伸びやすさは違うけど比例するのは同じなんだね!加えた力とばねの伸びが比例することをフックの法則といいます。

フックの法則どんなばねでも成り立つことが今回の実験からわかりますね!

フックの法則によって、ばねの伸びはおもりの数に必ず比例する

中学校で公式は出てきませんが、高校物理でフックの法則は〔F=ax〕と表します。FはForth(力)、aはばね定数、xはばねの伸びを表しています。

〔F=ax〕がy=axの一次関数の式と同じことがわかるとさらに物理が楽しくなりますね♪

詳しいばねの実験

今回の課題

ねの数が変わった時にフックの法則が成り立つか調べよう!

ばねを2つ使った時にフックの法則が成り立つか実験してみましょう!

ばねを増やそう!

個数の違うばねに同じ20gのおもりをつるすとこのようになりました。

おもりを増やしてグラフを作成すると

どっちのグラフも比例している!

ですね!

さらに、ばねの数とばねののびの関係に注目すると、ばねの数に比例してばねの伸びが増えていることがわかりますね。

この時それぞれのばねにはたらく力に注目してみましょう!

2つのばねに同じだけ力がはたらいてるんだね!

そういうことです!

1つ1つのばねが20gの力によって伸びるから、ばね1つの時とばね2つの時を比べるとばね2つの時の方がばねの伸びが2倍になっていることがわかればOKです。

ばね1つ1つがどれだけ伸びるか考えればOK

逆に2つのばねで20gのおもりを支えた時のばねの伸びを調べてみましょう。

これもグラフにまとめるとこんな感じになっています。

ばねののびがだいたい半分になってるね

この時のばねにかかっている力について考えてみましょう。

2つのばねで1つのおもりを支えているから、ばね1つ当たりにかかる力は半分になりますね。

力が分散されるから伸びが半分になったんだね

フックの法則から、ばねにかかる力が半分になるとばねののびも半分になるんでしたね。

かけるおもりを2つにして、2つのばねで支えると結果的に1つのばね当たりに20gの力がはたらくから、1つのばねに1つのおもりをかけた時と同じだけばねがのびるってことですね!

今回難しいな、、、

複雑に見えますが、フックの法則は「かかった力に比例してばねが伸びる」ことがわかっていればOKです!

もし難しいなと感じたら、力の作図をしてみてください!力の作図の仕方はコチラの学習を読むとわかりやすいです!

今回のまとめ

物体がもとの形に戻ろうとする力を弾性力といい、この性質を弾性という

ばねにかかる力とばねの伸びが比例することをフックの法則という

フックの法則を考える時は物体にかかる力を考えよう!

今回のまとめクイズ!

おもりの数と比例するのはどっち?
フックの法則
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次の学習も一緒に頑張ろうね!

次の学習

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プロフィール
ゆうしろ

私立中・高一貫校の現役理科教員です。
専門は生物学で、中学・高校理科の教員免許を持っています。
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理科の授業を「何度でもふりかえる」ことが出来るように、知識+思考力がつくサイトにしていくのでよろしくお願いします!

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